□□王善拔，劉運(yùn)江，羅云峰

水泥行業(yè)節(jié)能減排的技術(shù)途徑*

Technical Approach of Energy－saving and Emission－reduction in Cement Industry

□□王善拔1.2，劉運(yùn)江1.2，羅云峰1.2

討論了目前國內(nèi)較為成熟的水泥行業(yè)節(jié)能減排技術(shù)途徑：淘汰技術(shù)落后的立窯企業(yè)；多摻混合材，多生產(chǎn)摻混合材的水泥；利用窯尾出預(yù)熱器的廢氣和窯頭冷卻機(jī)的廢氣發(fā)電；利用替代燃料和替代原料，降低熟料熱耗；利用立磨輥壓機(jī)終粉磨技術(shù)、預(yù)粉磨技術(shù)和助磨劑以及風(fēng)機(jī)用變頻調(diào)速技術(shù)等；總結(jié)了每種途徑可能達(dá)到的節(jié)能減排技術(shù)指標(biāo)。

1 前言

我國是世界第二耗能大國，從國家節(jié)能減排目標(biāo)來看，建材工業(yè)是僅次于冶金、化工的第三能源消耗大戶。建材工業(yè)占全國能源總消耗的7%左右，其中水泥工業(yè)又占建材能源消耗的75%。水泥行業(yè)也是CO2排放大戶。國家“十一·五”計(jì)劃要求企業(yè)每年節(jié)能5%，如何達(dá)到此目標(biāo)是水泥行業(yè)迫切需要解決的問題。筆者認(rèn)為，我國水泥行業(yè)的節(jié)能減排途徑應(yīng)是：淘汰技術(shù)落后的立窯企業(yè)；多摻混合材，多生產(chǎn)摻混合材的水泥；利用窯尾出預(yù)熱器的廢氣和窯頭冷卻機(jī)的廢氣發(fā)電；利用替代燃料和替代原料，降低熟料熱耗；利用立磨輥壓機(jī)終粉磨技術(shù)、預(yù)粉磨技術(shù)和助磨劑以及風(fēng)機(jī)用變頻調(diào)速技術(shù)降低電耗等。

2 水泥行業(yè)節(jié)能減排的技術(shù)途徑

我國水泥行業(yè)目前較為成熟的節(jié)能減排技術(shù)途徑主要有如下幾種。

2.1 淘汰技術(shù)落后的立窯企業(yè)

立窯企業(yè)規(guī)模小、技術(shù)落后，能耗高，對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重，因此淘汰立窯、建設(shè)大型新型干法窯是水泥行業(yè)節(jié)能減排最有力和最有效的宏觀調(diào)控措施。

根據(jù)中國水泥協(xié)會(huì)秘書長孔祥忠的數(shù)據(jù)［1］，“按每年淘汰 5000萬噸落后水泥測算，可節(jié)電45×108kWh，減少粉塵排放60萬噸，減少二氧化碳排放4000多萬噸，節(jié)煤700萬噸?！?/p>

據(jù)悉，中國政府要求到2010年新型干法水泥比重提高到70%，累計(jì)淘汰落后生產(chǎn)能力達(dá)到2.5億噸，則可節(jié)電225×108kWh，減少粉塵排放300萬噸，減少二氧化碳排放2億多噸，節(jié)煤3500萬噸。

2.2 多摻混合材，多生產(chǎn)摻混合材的水泥特別是復(fù)合硅酸鹽水泥

多摻混合材不但可增加水泥產(chǎn)量，改善水泥某些性能，還可消納工業(yè)廢渣，是水泥行業(yè)節(jié)能減排最有效的措施。我國2007年水泥總產(chǎn)量達(dá)13.6億噸，大多數(shù)為普通硅酸鹽水泥。如果每噸水泥多摻1%混合材而少用1%熟料，那么每年將節(jié)約1360萬噸熟料。我國新型干法窯每噸熟料熱耗約在110～130kg標(biāo)準(zhǔn)煤，即使按平均值120kg標(biāo)準(zhǔn)煤計(jì)，每多摻1%混合材而少用1%熟料就可節(jié)約1.2kg標(biāo)準(zhǔn)煤／t水泥。若普通硅酸鹽水泥的混合材最大含量由15%提高至20%，全國所有的水泥都多摻了5%的混合材，那么一年將節(jié)約816萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，相當(dāng)于節(jié)約1040～1142萬噸原煤（原煤按低熱值5000～5500×4.18kJ／kg計(jì)）。 按 1t水泥熟料產(chǎn)生ltCO2計(jì)，可減少CO2排放量6800萬噸；按原煤含硫1%計(jì)，可減少SO2排放20.8～22.8萬噸；按1t標(biāo)準(zhǔn)煤產(chǎn)生7.4kgNOx計(jì)，可減少NOx排放量6.0萬噸，節(jié)能和減排量都相當(dāng)可觀。

據(jù)介紹［2］，美國加州大學(xué)曾在一幢6層樓的剪力墻和基礎(chǔ)的加固工程中，分別用 160kg／m3水泥（占膠凝材料 45%）、195kg／m3粉煤灰（粉煤灰摻量 55%）和 195kg／m3水泥（占膠凝材料 50%）、195kg／m3粉煤灰（粉煤灰摻量50%）配制混凝土，用水量只有118kg／m3，28d 抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到相當(dāng)于我國立方體強(qiáng)度37.6MPa和45.9MPa。清華大學(xué)在深圳地鐵足尺寸模型試驗(yàn)中，用45%粉煤灰、10%礦渣和45%硅酸鹽水泥配制的混凝土，膠凝材料總用量 400kg／m3，各組試件28d強(qiáng)度均在54MPa以上。如果把上述這三種膠凝材料當(dāng)作水泥看待，那么其混合材含量分別為55%、50%和55%，這說明，從混凝土生產(chǎn)角度來看，水泥可摻大量混合材。

在GB 175-2007通用硅酸鹽水泥［3］標(biāo)準(zhǔn)中，普通硅酸鹽水泥的混合材最高含量可達(dá)20%，比舊標(biāo)準(zhǔn)中的允許最大含量15%高出5%，而我國的水泥產(chǎn)量中，普通硅酸鹽水泥的產(chǎn)量和市場份額都最大，新標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施對(duì)水泥行業(yè)的節(jié)能減排無疑是一個(gè)巨大貢獻(xiàn)。礦渣硅酸鹽水泥的混合材含量＞20%而≤70%，火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥和粉煤灰硅酸鹽水泥的混合材含量＞20%而≤40%，而復(fù)合硅酸鹽水泥的混合材含量＞20%而≤50%，若熟料強(qiáng)度較高，則混合材摻量可比目前的高。在這里，筆者要特別推薦復(fù)合硅酸鹽水泥，不但混合材含量可比火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥和粉煤灰硅酸鹽水泥高出10%，而且可摻兩種或兩種以上的混合材，可以根據(jù)混合材的性質(zhì)，選擇性能互補(bǔ)的混合材。例如借鑒清華大學(xué)上例配制混凝土的經(jīng)驗(yàn)，生產(chǎn)既摻大量粉煤灰又摻一定量礦渣的復(fù)合硅酸鹽水泥，具有連續(xù)漸進(jìn)活性效應(yīng)和平緩的水化放熱，使水泥組分在一開始就發(fā)揮活性，而礦渣組分在7d左右發(fā)揮作用，早期活性較低的粉煤灰組分在14d開始發(fā)揮作用，這樣的復(fù)合水泥在養(yǎng)護(hù)期間，早期（1～7d）、中間（7-28d）、后期（14～28d）均有膠凝材料對(duì)強(qiáng)度有貢獻(xiàn)，避免粉煤灰早期強(qiáng)度太低而且水化放熱不集中的缺點(diǎn)。這里筆者還要推薦摻一些改善水泥顆粒級(jí)配或改善某些性能的非活性混合材。在歐洲水泥標(biāo)準(zhǔn)EN 197-1：2000＜水泥—第一部分：通用水泥的組成、規(guī)格、要求和合格評(píng)定準(zhǔn)則＞［4］中規(guī)定：27種通用水泥的組成中，次要附加組分占0%～5%。對(duì)次要附加組分要求能改善水泥顆粒級(jí)配或改善水泥的物理性能（如工作性或保水性）。它們可以是惰性的或具有微弱水硬性、潛在水硬性或火山灰性。我國P.Ⅱ型硅酸鹽水泥允許摻入不超過水泥質(zhì)量5%的石灰石，普通硅酸鹽水泥允許用不超過水泥質(zhì)量8%的非活性混合材或不超過水泥質(zhì)量5%的窯灰代替活性混合材，礦渣硅酸鹽水泥允許用不超過水泥質(zhì)量8%的非活性混合材或窯灰代替活性混合材，以及復(fù)合硅酸鹽水泥允許用不超過水泥質(zhì)量8%的窯灰代替活性混合材，這些規(guī)定與歐洲標(biāo)準(zhǔn)的次要附加組分規(guī)定很相似。加入窯灰或不符合活性標(biāo)準(zhǔn)的火山灰可改善水泥的泌水性，提高其保水性；而摻入石灰石或砂巖則可改善水泥的工作性，提高流動(dòng)性，提高混凝土的流動(dòng)性和可泵性。復(fù)合硅酸鹽水泥不但可摻石灰石混合材，而且燒失量不像硅酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥那樣受到嚴(yán)格的限制，這意味著石灰石摻量可超過5%。筆者認(rèn)為，多摻混合材，多生產(chǎn)摻混合材的水泥特別是復(fù)合硅酸鹽水泥是工藝簡單而行之有效的節(jié)能減排途徑。

2.3 廢氣余熱中低溫余熱發(fā)電

“十一·五”國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃提出了單位國內(nèi)生產(chǎn)總值能源消耗降低20%、工業(yè)固體廢棄物綜合利用率提高到60%這兩項(xiàng)約束性指標(biāo)。利用水泥窯余熱純中低溫余熱發(fā)電技術(shù)，把熟料生產(chǎn)過程中排放來的余熱進(jìn)行回收，轉(zhuǎn)化為電能再用于生產(chǎn)，是水泥工業(yè)能耗降低20%的重要舉措。

利用水泥窯余熱純中低溫余熱發(fā)電技術(shù)已在多家水泥廠實(shí)踐，現(xiàn)在的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)均能達(dá)到35kWh／t熟 料 以 上［1］， 相 當(dāng) 于 節(jié) 約 標(biāo) 準(zhǔn) 煤13.6kg／t熟料。到2007年年底，國內(nèi)投產(chǎn)的新型干法水泥生產(chǎn)線已經(jīng)達(dá)到780條左右，國內(nèi)新型干法生產(chǎn)的水泥比例已經(jīng)達(dá)到55%，據(jù)此計(jì)算2007年全國新型干法水泥約為7.5億噸，按熟料占水泥總質(zhì)量82%計(jì)，新型干法窯熟料約為6.1億噸，按仍有50%可建余熱發(fā)電計(jì)，建成后每年可發(fā)電107億kWh，按380g標(biāo)準(zhǔn)煤／kWh計(jì)，一年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤407萬噸，相當(dāng)于節(jié)約518～570t原煤（按低熱值（5000～5500）×4.18kJ／kg 計(jì)），減少 CO2排放 977t，減少 NOx排放 3t。

2.4 大量利用替代燃料和替代原料

國外特別是德國水泥工業(yè)利用替代燃料己取得明顯效果，所用的替代燃料主要是廢輪胎、廢塑料、廢紙張和動(dòng)物肉和骨頭粉等。據(jù)報(bào)導(dǎo)［5］，德國Teutonia水泥公司目前利用替代燃料約占總熱耗的60%。

考慮到國內(nèi)對(duì)廢輪胎、廢塑料、廢紙張由其他行業(yè)回收和利用更有價(jià)值，因此水泥行業(yè)目前還無法應(yīng)用這些再生能源。但有些水泥廠己開始利用廢皮革、生活垃圾等煅燒水泥熟料，可節(jié)省一些能源。廣東某水泥廠廢皮革代煤量己達(dá)7.8%，1t廢皮革可替代0.77t煤。利用替代原料也可節(jié)能降耗。 某水泥廠［6］φ4.2m×66m 預(yù)分解窯，用煤矸石代替部分粘土質(zhì)原料，煤矸石配料用量為6%，通過煤矸石預(yù)均化，采用適當(dāng)減煤 （節(jié)約用煤）、適當(dāng)縮短火焰、提高窯速等措施， 產(chǎn)量提高 4.6t／h，3d強(qiáng)度提高4.4MPa，28d強(qiáng)度提高 3.6MPa， 既節(jié)約燒成用煤，又消納了煤矸石，一舉兩得。據(jù)介紹，目前國內(nèi)在預(yù)分解生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)中，在有條件的地方己應(yīng)用煤矸石，一般用量在5%～6%，最高用量達(dá)8%，但尚未看到煤矸石最高用量8%的廠家節(jié)能數(shù)據(jù)的公開報(bào)導(dǎo)。

利用含CaO的工業(yè)廢渣代替石灰石也可以節(jié)能，許多含CaO的工業(yè)廢渣如碳化爐渣、礦渣、鋼渣等都是經(jīng)過高溫煅燒后形成的，其CaO已以（或以潛在的）硅酸鹽、鋁酸鹽、鐵酸鹽形式存在，無需經(jīng)歷石灰石配料時(shí)煅燒中的CaCO3分解，可省掉一部分CaCO3分解熱。CaCO3在890℃分解熱為1645kJ／kg，按生產(chǎn)1t熟料需 1.2t石灰石計(jì)，生產(chǎn)1kg熟料所需CaCO3分解熱達(dá)1974kJ／kg，占熟料燒成熱耗50% 以上。另外，這些廢渣中的CaO不存在CO2，也減少了CO2的排放，因此這類鈣質(zhì)替代原料代替石灰石節(jié)能減排潛力很大。

2.5 利用預(yù)粉磨技術(shù)和助磨劑降低水泥粉磨電耗

立磨和輥壓機(jī)終粉磨技術(shù)是目前水泥行業(yè)能耗最低的粉磨技術(shù)。輥壓機(jī)終粉磨系統(tǒng)，單位產(chǎn)品電耗可降低40%，生料單位電耗一般為15～18 kWh／t，水泥則為 20～25kWh／t，視物料易磨性和礦物結(jié)構(gòu)不同而有所差別。 據(jù)報(bào)導(dǎo)［7］，墨西哥 Aguascalientes水泥廠用RMC-51／26／435立磨系統(tǒng)(磨盤直徑5.1m、輥?zhàn)又睆?.6m、高效選粉機(jī)轉(zhuǎn)子直徑4.35m)粉磨熟料6年的經(jīng)驗(yàn)表明，水泥比表面積為385m2／kg 時(shí)，產(chǎn)量 113t／h，立磨單位電 耗 為 18.7kWh／t， 風(fēng) 機(jī) 電 耗 為6.1kWh／t， 高 效 選 粉 機(jī) 電 耗 為0.4kWh／t， 三 者 總 計(jì) 電 耗 只 需25.2kWh／t。若將斗式提升機(jī)進(jìn)行物料循環(huán)的電耗也計(jì)算在內(nèi)，粉磨系統(tǒng)的總電耗也只有25.6kWh／t。產(chǎn)品的顆粒分布曲線與球磨機(jī)的相同。輥?zhàn)舆\(yùn)轉(zhuǎn)28000h后磨損很少，無任何輥?zhàn)有柽M(jìn)行表面耐磨堆焊，只有非壓模成型的研磨軌道磨在運(yùn)轉(zhuǎn)15000h后進(jìn)行過表面耐磨堆焊。立磨也特別適合粉磨潮濕和難磨的礦渣，比球磨機(jī)更節(jié)電。我國遼寧省鞍鋼2002年起用立磨粉磨礦渣，設(shè)計(jì)產(chǎn)量為90t／h、比表面積 400m2／kg，現(xiàn)在產(chǎn)量為 83t／h、比表面積 430m2／kg，系統(tǒng)電耗(包括立磨、選粉機(jī)、循環(huán)提升機(jī)和系統(tǒng)的風(fēng)機(jī))為38.4kWh／t。磨盤輥道和輥?zhàn)拥哪p僅為7.3g／t，主要是采用材料外部循環(huán)和有效的除鐵系統(tǒng)的緣故。在運(yùn)轉(zhuǎn)3500h即生產(chǎn)礦渣粉30萬噸后，才按計(jì)劃進(jìn)行表面耐磨堆焊。國內(nèi)用立磨粉磨煤粉和生料己很普遍。智海企業(yè)集團(tuán)榆次水泥分公司［8］用輥壓機(jī)終粉磨系統(tǒng)，生料電耗僅12kWh／t（不包括原料預(yù)均化及運(yùn)輸）。

國內(nèi)已采用的多是輥壓機(jī)+球磨機(jī)粉磨系統(tǒng)。亞泰公司哈爾濱水泥廠應(yīng)用天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司技術(shù)開發(fā)中心開發(fā)的“輥壓機(jī)半終粉磨技術(shù)”，比傳統(tǒng)圈流磨節(jié)約10kWh／t水泥，相當(dāng)于節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤3.8kg／t水泥。目前我國輥壓機(jī)半終粉磨系統(tǒng)的綜合電耗大致處于28～32kWh／t，比不加輥壓機(jī)的球磨機(jī)低8～12kWh／t水泥。

經(jīng)驗(yàn)表明，利用助磨劑可節(jié)約水泥粉磨電耗 3～4kWh／t， 相當(dāng)于節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤 1.14～1.52kg／t水泥。助磨劑用量約為 300～400g／t水泥，即使經(jīng)濟(jì)上不節(jié)約，也可降低水泥粉磨電耗。山東日照中聯(lián)水泥公司［9］用 HY-Ⅲ B型助磨劑在φ4.2m×11.5m水泥閉路磨試驗(yàn)運(yùn)行16h。生產(chǎn)42.5R水泥，摻0.1%HY-Ⅲ B型助磨劑，水泥熟料配比由82.0%降至72.0%，水泥中混合材由13.0%提高到23.0%，水泥各齡期強(qiáng)度和其他物理性能基本保持一致。每噸水泥少用10kg熟料，就相當(dāng)于節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤1.1kg。

2.6 風(fēng)機(jī)用變頻調(diào)速技術(shù)節(jié)能

一般每生產(chǎn)1t水泥大約耗電l00kWh／t，其中參與工況調(diào)節(jié)的粉磨及燒成系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)耗電量很大，約占30%左右，而隨著立磨系統(tǒng)越來越多被采用，風(fēng)機(jī)耗電占總耗電量的比例越來越大。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明［10］，風(fēng)機(jī)采用變頻調(diào)速技術(shù)可節(jié)電2.5kWh／t熟料，約可節(jié)約lkg標(biāo)準(zhǔn)煤。一般兩年可收回投資。

3 結(jié)語

除了國家宏觀調(diào)控淘汰技術(shù)落后的立窯企業(yè)能大量節(jié)能減排外，水泥企業(yè)節(jié)能減排的技術(shù)途徑是：

（1）多摻混合材和多生產(chǎn)摻混合材的水泥，特別是復(fù)合硅酸鹽水泥。每多摻l%混合材，就可節(jié)約1.2kg標(biāo)準(zhǔn)煤／t水泥，混合材摻量越多，節(jié)能減排越明顯。

（2）利用窯的廢氣余熱發(fā)電技術(shù)，每噸熟料廢氣余熱發(fā)電可提供電能35kWh，相當(dāng)于節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤13.6kg／t熟料。

（3）利用替代燃料和替代原料可明顯節(jié)能，節(jié)能量取決于替代燃料和替代原料的性質(zhì)。

（4）采用輥壓機(jī)+球磨機(jī)粉磨系統(tǒng)比球磨機(jī)系統(tǒng)節(jié)電10kWh／t水泥，相當(dāng)于節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤3.8kg／t水泥，用助磨劑可節(jié)電 3～4kWh／t， 相當(dāng)于節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤 1.14～1.52kg／t水泥。利用立磨或輥壓機(jī)終粉磨系統(tǒng)，節(jié)能效果更好。

（5）風(fēng)機(jī)用變頻調(diào)速技術(shù)可節(jié)電2.5kWh／t水泥，相當(dāng)于可節(jié)約lkg標(biāo)準(zhǔn)煤／t水泥。

（6）根據(jù)有關(guān)資料，工業(yè)用煤按5000～5500×4.18kJ／kg， 含硫 1%折成標(biāo)準(zhǔn)煤，則每節(jié)約1t標(biāo)準(zhǔn)煤相當(dāng)于減少CO2排放2.4t，減少SO2排放0.025t，減少 NOx排放 0.0074t。

[1]孔祥忠.水泥工業(yè)的結(jié)構(gòu)調(diào)整和科技進(jìn)步［J］.水泥標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)通訊，2007（2）：2.

[2]CCES 01-2004（2005年修訂版）混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)與施工指南［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版杜，2005：83.

[3]GB 175-2007通用硅酸鹽水泥［M］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社：2007.

[4]歐洲水泥標(biāo)準(zhǔn)EN 197-1：2000＜水泥—第一部分：通用水泥的組成、規(guī)格、要求和合格評(píng)定準(zhǔn)則＞.

[5]M.Becker A.Lange. Alternative raw materials and fuels[J].Zement Kalk Gips，No.3 ／2008：25.

[6]陳仕香.用煤矸石代替粘土配料生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)水泥熟料［J］.水泥，2003,（4）：19.

[7]I.Engeln.Operating experience with energysaving grinding plantsforgrinding clinker and granulated blast furnace slag[J].Cement InternationalL，No.5／2006： 73.

[8]王剛.生料輥壓機(jī)終粉磨系統(tǒng)在2500t／d生產(chǎn)線上的應(yīng)用［J］.水泥，2008,（6）：50.

[9]安寶軍，汪兆先.HY-Ⅲ B型助磨劑在日照中聯(lián)水泥公司的應(yīng)用分析［J］.中國水泥網(wǎng)網(wǎng)刊，2008（5）：41.

[10]孟軍.水泥廠的風(fēng)機(jī)節(jié)能［J］.水泥技術(shù)，2007（5）：87.

TQ172.622

A

1001-6171（2010）02-0021-03

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2009-08-06；

沈 穎

*本課題得到廣州市蘿崗區(qū)科技局資助